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Croissance de MOFs sur des surfaces de Silicium

par Rosso Michel - publié le , mis à jour le

Participants : Catherine Henry de Villeneuve, Philippe Allongue et Fouad Maroun
Doctorants/PostDocs : H. Yuan (Doctorat 2017), M. Castellano-Sanz (PostDoc 2013 -> 2015)
Collaborations : N. Steunou, ILV, Université Versailles St Quentin ; C. Serre, IMAP, ENS Paris

Les MOFs (Metal Organic Frameworks) sont des solides poreux cristallins obtenus par auto-assemblage de centres métalliques (cations ou oxo-clusters) et de ligands organiques. Leur grande surface spécifiques (> 1000 m2/g) couplée à une porosité (taille et forme des pores) et des propriétés physico-chimiques ajustables en font des matériaux à fort potentiel pour de nombreuses applications (stockage de fluides, séparation moléculaire, (photo)catalyse, capteurs, (opto)electronique, photovoltaique…). Ces matériaux sont synthétisés sous formes de poudres micro(nano)cristallines. La réalisation de couches minces est un enjeu majeur vis-à-vis de leur intégration dans des dispositifs.

Figure 1 : Principe de la croissance de MOFs sur des surfaces de silicium fonctionnalisées et images MEB montrant différentes morphologies de films et/ou phases cristallines (Fe/BDC) obtenues sur des surfaces fonctionnalisées par une monocouche d’acides carboxyliques. (a) Cristallites MIL101 individuelles orientées de façon préférentielle (texture (111)), (b) film dense MIL101 poly-cristallin, (c) film dense MIL88B formé de cristallites en forme de pyramides hexagonales orientées (texture (001)).

Dans ce contexte nous étudions la croissance et les propriétés de films MOFs sur des surfaces. L’approche que nous développons repose sur l’utilisation de substrats de silicium dont la chimie de surface peut être ajustée par greffage covalent de monocouches organiques fonctionnalisées par des ligands (Fig.1). La Figure 1 montre des exemples de films MOFs obtenus à partir d’ions Fe3+ et de ligands acide 1,4 Benzene DiCarboxylique (H2BDC) sur des surfaces de silicium fonctionnalisées par des monocouches d’acides carboxyliques. Pour ce système (Fe/BDC), nos études montrent la croissance de différentes phases cristallines et des morphologies de films variables selon les conditions de synthèses (chimie de surface, composition de la solution, T°). Deux phases structurales - MIL101 cubique (Fig.1a, b) et MIL88B hexagonale (Fig.1c) ont été identifiées grâce à des caractérisations par microscopie électronique (MEB) et des mesures de diffraction de rayons X (DRX). Les films sont poly-cristallins, d’épaisseur variable (de quelques centaines de nm à quelques µm) et dans certaines conditions une texturation est observée : orientation préférentielle de cristallites MIL101 avec une texture (111) sur l’image Fig.1a ou cristallites MIL88B en forme de pyramides hexagonales orientée perpendiculairement à la surface (texture (001)) sur l’image Fig.1c.